O úspěchu při expanzi populací nemusí rozhodovat pouze jejich reprodukční výhoda. Teoretická studie Sergia Erasa a Mehrana Kardara z MIT, zveřejněná v roce 2026 v časopise Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, pomocí matematického modelu odděluje vliv populační zdatnosti, rychlosti postupu a polohy na čele růstu. Výpočty vytvářejí tvary podobné těm, které dřívější pokusy pozorovaly u mikrobiálních kolonií. Autoři současně předpovídají, že prostorové uspořádání zanechává měřitelnou stopu v rozložení zdatnosti uvnitř populace, což mohou ověřit další experimenty.
- Model rozlišuje reprodukční výhodu populace od rychlosti jejího prostorového postupu.
- Podle výpočtů může méně zdatná populace dlouho přetrvat díky výhodné poloze na čele růstu.
- Teorie vytváří tři typy čela: zaoblenou výduť, složenou výduť se šikmými stranami a prohlubeň ve tvaru písmene V.
- Dalším krokem má být experimentální ověření modelovaných mechanismů ve skutečných populacích.
Předlohou byly rozdělující se bakteriální kolonie
Výzkum navázal na dřívější experimenty s expandujícími bakteriálními koloniemi. Populace, které byly na začátku promíchané, se při růstu postupně oddělovaly do samostatných sektorů. Pozornost vědců upoutaly především jejich vnitřní hranice: nepohybovaly se jen náhodně, ale postupovaly rychleji, než by odpovídalo běžné difuzi.
Tento pohyb odpovídal matematickému škálování KPZ rovnice, kterou v roce 1986 představili Kardar, Giorgio Parisi a Yi-Cheng Zhang. Rovnice popisuje vývoj nerovných růstových čel. Kardar za své příspěvky k nerovnovážné statistické fyzice, včetně práce na KPZ, obdržel v roce 2025 Boltzmannovu medaili.
Princip lze přiblížit postupujícím okrajem ohně na listu papíru: hranice plamene nezůstává rovná, ale vytváří nepravidelnosti. Také buňky v kolonii se nerozmnožují všechny současně, takže čelo růstu získává nerovný tvar a ovlivňuje hranice mezi populacemi.
Spojený model oddělil zdatnost od rychlosti
Eraso a Kardar zkombinovali KPZ rovnici s Fisherovou rovnicí, klasickým modelem evoluční biologie pro šíření populace se selekční výhodou v prostoru. Díky tomu mohli posuzovat dva faktory samostatně: zdatnost chápanou jako reprodukční výhodu v místním soupeření a rychlost, s níž populace rozšiřuje své území.
Model ukazuje, že populace může vítězit v přímém soupeření, a přesto zaostávat, protože se prostorem šíří pomaleji.
Podle poměru obou vlastností vzniká zaoblená výduť, složená výduť se šikmými okraji, nebo prohlubeň ve tvaru V. V posledním případě zdatnější populace proniká do soupeře ze stran, ale ve středu zůstává pozadu kvůli nižší rychlosti expanze.
Vyšší rychlost přitom sama o sobě nezaručuje větší úspěch při obsazování nového prostoru. To znamená, že při vyhodnocování expanze populací nestačí sledovat jedinou vlastnost a automaticky ji považovat za rozhodující.
Výhodná poloha může udržet i slabší populaci
Výpočty přisuzují samostatnou roli také počátečnímu umístění. Méně zdatná populace, která by na rovném čele zmizela, může přetrvat, pokud se na začátku nachází na vrcholu nebo jiném výběžku. Taková poloha v modelu vytváří prostorovou niku, již může slabší populace ovládat po dlouhou dobu.
Pro potomky tak může být podstatné nejen to, jaké vlastnosti zdědili, ale také kde se jejich předkové na čele expanze náhodou nacházeli.
Studie je teoretická a zjednodušená. Podobnost vytvořených výdutí a prohlubní s dřívějšími mikrobiálními experimenty proto nedokazuje, že v reálných koloniích působí přesně stejný mechanismus. Ukazuje však, že k napodobení pozorovaných tvarů kvalitativně postačuje několik základních prvků.
Experimenty mají hledat prostorový otisk zdatnosti
Další fáze výzkumu se má přesunout k experimentálnímu testování. Vědci chtějí zjistit, za jakých podmínek se kombinace zdatnosti, rychlosti a polohy skutečně uplatňuje v reálných populacích.
Model navíc nabízí konkrétní předpověď: prostorová struktura by měla zanechávat měřitelnou stopu v tom, jak je zdatnost rozložena napříč populací. Pokud ji budoucí pokusy naleznou, podpoří to použitelnost navrženého mechanismu; pokud ne, bude nutné model doplnit nebo jeho platnost omezit.
Co podle vás při šíření populace převáží častěji: reprodukční výhoda, rychlost postupu, nebo výhodná poloha?
